冷凍水變流量系統(tǒng)節(jié)能性分析

章慧穎

(上海市閔行區(qū)建設(shè)受理服務(wù)中心，上海 201199)

0 引 言

建筑使用能耗占國民經(jīng)濟(jì)總能耗的比例已經(jīng)從原來的1/4水平向1/3水平發(fā)展[1]。暖通空調(diào)是建筑能耗中的大戶，占50%～60%。以上海為例，夏季空調(diào)用電約占全市用電量的40%[2]。冷凍水變流量系統(tǒng)的應(yīng)用，能有效降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，對(duì)降低建筑能耗有著積極的意義。

1 空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的一/二次泵變流量系統(tǒng)

空調(diào)冷凍水系統(tǒng)分為定流量系統(tǒng)和變流量系統(tǒng)。定流量系統(tǒng)中，冷凍水的總水量保持恒定不變(或者按照水泵的啟停臺(tái)數(shù)“階梯式”變化)。變流量系統(tǒng)中，冷凍水的水量隨著末端裝置流量的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)。

隨著技術(shù)的發(fā)展和建筑節(jié)能的需要，冷凍水變流量已廣泛應(yīng)用在空調(diào)的冷凍水系統(tǒng)中。常見的變流量系統(tǒng)主要有一次泵變流量和二次泵變流量系統(tǒng)。

1.1 一次泵變流量系統(tǒng)

一次泵變流量系統(tǒng)可分為壓差旁通和變頻變流量系統(tǒng)兩種形式。

壓差旁通變流量系統(tǒng)中，設(shè)置壓差控制的旁通閥。當(dāng)末端需求的水量變少時(shí)，旁通閥開啟使一部分供水直接進(jìn)入系統(tǒng)的回水管。此系統(tǒng)變流量時(shí)，水泵的轉(zhuǎn)速不發(fā)生變化，流量保持穩(wěn)定。

變頻變流量系統(tǒng)中，當(dāng)用戶側(cè)冷負(fù)荷需求降低時(shí)，冷凍水側(cè)的閥門開度調(diào)節(jié)，通過改變冷水泵的轉(zhuǎn)速，減少冷凍水供應(yīng)，降低冷水泵的運(yùn)行能耗。變頻變流量系統(tǒng)中采用可變流量的冷水機(jī)組,使蒸發(fā)器側(cè)流量隨負(fù)荷側(cè)流量的變化而改變,使冷凍機(jī)的運(yùn)行與末端的特點(diǎn)相匹配。此時(shí)，冷凍水泵和制冷機(jī)組的水量都隨空調(diào)負(fù)荷的變化而改變。

一次泵變流量系統(tǒng)采用多機(jī)對(duì)多泵取代傳統(tǒng)系統(tǒng)的一機(jī)一泵系統(tǒng)，同時(shí)在旁通管上加電動(dòng)閥，可防止高低溫水的混合,并實(shí)現(xiàn)冷凍水全程變流量[3]。

1.2 二次泵變流量系統(tǒng)

一級(jí)泵和二級(jí)泵組成的變流量冷凍水系統(tǒng)。系統(tǒng)循環(huán)水的阻力由兩級(jí)水泵串聯(lián)承擔(dān)。其中一級(jí)泵承擔(dān)從冷水機(jī)組至分水器、集水器回到冷水機(jī)組環(huán)路的阻力，二級(jí)泵承擔(dān)從分水器至末端，再回到集水器環(huán)路的阻力損失。一、二級(jí)泵分別采用不同的控制方式，通常一級(jí)泵采用臺(tái)數(shù)控制，二級(jí)泵采用變頻運(yùn)行，從而保證冷水機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行及系統(tǒng)高效節(jié)能。

一級(jí)泵負(fù)責(zé)制冷機(jī)房內(nèi)管道阻力損失，揚(yáng)程較小。二級(jí)泵根據(jù)各個(gè)分區(qū)阻力損失選擇不同的揚(yáng)程，在各分支環(huán)路阻力相差較大時(shí)，有顯著優(yōu)勢。

2 工程實(shí)例節(jié)能量分析

一次泵壓差旁通變流量系統(tǒng)在冷水機(jī)組側(cè)，實(shí)質(zhì)上依然屬于定流量系統(tǒng)。相對(duì)于定流量系統(tǒng)，系統(tǒng)的運(yùn)行能耗并無太大變化。

而和二次泵變流量系統(tǒng)相比，一次泵變流量系統(tǒng)采用變頻冷水機(jī)組；減少了一級(jí)定頻泵。但由于制冷機(jī)組蒸發(fā)器的流量減少，冷水機(jī)組的效率會(huì)有所下降(蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)降低)。但近年來國內(nèi)外學(xué)者研究表明，在一定范圍內(nèi)，冷水泵降低的能耗比冷水機(jī)組增加的能耗更多，系統(tǒng)全年運(yùn)行的總體能耗依然會(huì)下降。

在文中，以某實(shí)際工程為例，通過能耗模擬軟件eQuest，分別模擬了空調(diào)冷凍水系統(tǒng)采用一次泵變頻變流量和二次泵變流量系統(tǒng)的全年能耗。

2.1 工程概況

項(xiàng)目位于上海，總建筑面積30 663 m2，本項(xiàng)目地上7層，地下2層；地上為辦公區(qū)域，地下為設(shè)備機(jī)房和停車區(qū)域。建筑高度36.55米，一層層高6.9米，二層層高5.4米，三～七層層高4.5米，模擬建筑模型如圖1所示。

圖1 “eQUEST”模型

建筑的運(yùn)行時(shí)間分為區(qū)域開放時(shí)間和HVAC系統(tǒng)開啟時(shí)間。其中開放時(shí)間為8∶00～17∶00，系統(tǒng)開啟時(shí)間7∶00～18∶00，節(jié)假日均關(guān)閉。采用了eQuest 3.65能耗模擬軟件，分別模擬項(xiàng)目在采用冷凍水一次泵變頻變流量和二次泵變流量系統(tǒng)時(shí)全年的能耗。

2.2 工程空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)置

項(xiàng)目集中設(shè)置冷熱源，位于地下一層的設(shè)備機(jī)房內(nèi)。冷源為2臺(tái)離心式冷水機(jī)組；熱源為2臺(tái)鍋爐。空調(diào)系統(tǒng)末端變風(fēng)量(VAV)系統(tǒng)。

方案一：一次泵變頻變流量系統(tǒng)，采用2臺(tái)離心變頻機(jī)組、設(shè)計(jì)2臺(tái)變頻冷凍水循環(huán)泵；方案二：二次泵變流量系統(tǒng)，采用2臺(tái)離心變頻機(jī)組，設(shè)計(jì)2臺(tái)定頻一次泵，1臺(tái)變頻二次泵。方案一、二的具體參數(shù)見表1。

表1 HVAC系統(tǒng)表

2.3 能耗模擬結(jié)果

在運(yùn)行時(shí)間、建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)、各區(qū)域照明和設(shè)備功率密度及使用時(shí)間表、建筑的人員密度等均保持一致的情況下，對(duì)冷凍水系統(tǒng)分別采用方案一和方案二設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)行了全年能耗模擬，結(jié)果如圖2所示。

圖2 方案一和方案二“eQUEST”能耗模擬結(jié)果

如圖中2所示，左圖方案一能耗模擬結(jié)果顯示，全年制冷耗電量為211.4×103kWh，水泵耗電量為44.7×103kWh。方案二的全年制冷耗電量為233.8×103kWh，水泵耗電量為65.6×103kWh。

模擬結(jié)果顯示，相對(duì)與二次泵變流量系統(tǒng)，一次泵變頻變流量系統(tǒng)的制冷機(jī)組能耗有所降低；水泵的能耗降低了31.8%。方案一的全年能耗降低較明顯。

3 結(jié)束語

一次泵變頻變流量系統(tǒng)，打破了冷水機(jī)組蒸發(fā)器水流量必須固定的限制，取消了二次泵,直接通過一次泵變頻技術(shù)減少冷凍水的供應(yīng)，來適應(yīng)一定范圍內(nèi)的冷負(fù)荷變化，有效降低了空調(diào)水系統(tǒng)的全年運(yùn)行電耗。

二次泵系統(tǒng)中一級(jí)泵在末端部分負(fù)荷時(shí)，任然定流量運(yùn)行。但針對(duì)各末端環(huán)路阻力不同時(shí)，可分別設(shè)置二級(jí)泵。根據(jù)各自環(huán)路負(fù)荷的變化控制相應(yīng)的二級(jí)泵變頻變流量運(yùn)行。在末端環(huán)路負(fù)荷變化不同步或各環(huán)路阻力相差較大時(shí)，二次泵變頻系統(tǒng)更適用。

為了降低建筑的能耗，需要項(xiàng)目的不同性，合理選用空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化空調(diào)水系統(tǒng)方案。